抽水蓄能电站微细裂隙岩层防渗技术研究

崔，谢 武，江志安

（1.天津大学，水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津市 300350；2.中国水电基础局有限公司，天津市地基与基础工程企业重点实验室，天津市 301700）

0 引言

随着我国抽水蓄能电站的快速发展，其面临的水文地质条件也愈发复杂，其中，裂隙岩体高质量防渗是一个重要技术难题[1]。由于地质运动，岩体地基中存在大量裂隙，如原生裂隙和次生裂隙等[2，3]。其中，主裂隙在流体压力下延伸扩展，与其范围内的不同级次、不同成因类型的次级裂隙形成了相互连通的裂隙网络。裂隙网络的发育程度和连通程度对岩体力学特性和渗流有着重要的影响。为了加固工程基础、控制围岩变形、治理地下突涌水，工程中通常采用注浆手段进行加固。注浆过程中，未凝结的注浆材料在泵送压力下填充岩体的微细裂隙，经一段时间后硬化形成不透水区域，使岩体成为完整的结构[4，5]。微裂隙岩层注浆的关键难题是注浆材料的可灌性。由于微裂隙宽度极小，甚至在0.1mm以下，常规的水泥基注浆材料颗粒粒径较大，难以满足可注性。所以，研发一种可靠的注浆材料并深入研究其注浆理论，与开发相适应的注浆工艺对抽水蓄能电站的建设具有重要意义。

本文针对抽水蓄能电站裂隙岩层基础的防渗问题，提出了一种适应于微裂隙岩体防渗的新型纳米硅溶胶材料，并以清远抽水蓄能电站为工程依托，对其面临的断层破碎带和裂隙岩体防渗施工进行了较为系统的研究。

1 适应于微裂隙岩层的灌浆材料

硅溶胶（silica sol）是纳米SiO2胶体微粒在水中稳定均匀扩散形成的一种胶体溶液，又名硅酸溶胶，为淡蓝色透明或乳白色溶液，硅溶胶拥有大的比表面积、高吸附性、高渗透性等优点，且其具备良好的凝胶性能，所以可以将其作为化学灌浆材料加以利用。此外，硅溶胶最大的优点是其颗粒极小，其胶体粒子直径在10～20nm之间，可以满足微细裂隙岩体的灌浆要求。

1.1 硅溶胶的工程特性

硅溶胶浆液的密度为1260kg/cm3，pH值为10.0，黏度测定结果如图1所示，从图中可以看出，硅溶胶浆液的初始黏度约为5mPa·s，表明其流动性较好，可灌性优良；浆液的充分固化时间为29min。

图1 硅溶胶浆液的黏度测试结果Figure 1 Viscosity results of silica sol slurry

硅溶胶浆液固结后无侧限抗压强度是其重要的性能之一。分别测定硅溶胶浆液固结养护后的3天、7天、14天及28天的抗压强度，其强度变化如图2所示，从图中可以看出，固化后试块养护3天后的无侧限抗压强度为0.25MPa，随着养护龄期的增长，其强度逐渐增加，但增加的速率愈发缓慢，在龄期为28天，其强度为1.27MPa，满足工程要求。

图2 硅溶胶浆液固化后抗压强度Figure 2 Compressive strength of cured silica sol slurry

1.2 硅溶胶固砂体的渗透特性

将硅溶胶浆液注入填充标准砂的试模中，经1～2天脱模后进行养护，到达相应龄期测试其渗透系数。结果如图3所示：随着养护龄期的增长，硅溶胶固砂体的渗透系数呈不断降低的趋势。其中，其渗透系数在30天内变化最为显著，并于90天后变化趋势不明显。可以发现，对于硅溶胶固砂体，养护龄期越长，抗渗性能越佳。

图3 硅溶胶固砂体渗透系数随龄期变化Figure 3 The relationship between the permeability coefficient of silica sol and curing time

从上述结果分析看，硅溶胶工程特性满足基础防渗加固要求，且在微裂隙岩层中的可灌性较好，可用于微裂隙岩层防渗处理。

2 抽水蓄能电站裂隙岩层防渗技术

2.1 依托工程概况

清远抽水蓄能电站工程上库主坝为黏土心墙堆石坝，坝顶长度230m，最大坝高52.5m。大坝防渗系统采用自上而下黏土心墙、砼垫层、断层混凝土塞、基础固结灌浆结合帷幕灌浆的型式。上库蓄水之后，现场监测表明主坝坝基渗水量高于设计值，经进一步地勘后，确定心墙混凝土垫层下强风化带和弱风化上带浅层基岩为主要渗漏部位[6]，需进行补强处理。前期先后在坝址的弱风化带、断层破碎带进行灌浆试验，结果表明，破碎带中的变质石英砂岩、片岩和微风化带，因岩性致密、裂隙微细，普通水泥难以灌入，有些单耗仅为0.15～3.5kg/m。综合工程地质条件可以得出如下结论：宽度超过0.035mm的裂缝就可能成为渗水通道；对于水泥浆而言，最小可灌裂隙宽度在0.1～0.5mm范围内，小于0.1mm的微细裂隙则无法保证灌浆效果[7]。因此，采用水泥浆作为主灌浆材料，硅溶胶作为辅助灌浆材料，二者联合达到防渗效果。

2.2 灌浆布置

灌浆试验区布置在主坝右坝肩补强帷幕轴线上，单排帷幕，孔距1.5m。上库主坝K17+1～K20共4个孔设计缩短孔距为1.2m，Ⅰ序孔、Ⅱ序孔、Ⅲ序孔采用纯水泥浆进行灌注；K21～K28共8个孔设计孔距为1.5m，Ⅰ序孔、Ⅱ序孔采用纯水泥浆灌注，Ⅲ序孔采用硅溶胶浆液进行灌注。详细布置见图4。

图4 帷幕灌浆试验区孔位布置Figure 4 The hole arrangement of curtain grouting test area

2.3 灌浆试验结果分析

2.3.1 水泥单位注入量

水泥单位注入量频率区间成果见表1。

表1 各次序孔单位注入量频率成果汇总表Table 1 The unit injection rate frequency results of each hole

单位注入量可反映出灌浆过程所采取的工艺技术、灌浆材料、浆液配比是否具有合理性，一情况下，单位注入量随孔序逐渐递减[11]。本次试验区灌浆的水泥浆液单位注入量成果具体见表1。根据表1可以看出，Ⅲ序孔比Ⅱ序孔递减了2.71%，Ⅱ序孔比Ⅰ序孔递减了46.16%。从表1试验区各序孔平均单位注入量可以看出，Ⅰ序孔154.07kg/m＞Ⅱ序孔82.95kg/m＞Ⅲ序孔80.7kg。随着孔序的增加水泥单位注入量有逐渐降低的趋势，符合灌浆的递减规律。

从表1中看出，Ⅰ序孔单位注入量频率最大的是100～500kg/m的段次占47.8%，其次是50～100kg/m的段次占17.4%，最小的是＞500kg/m的段次占8.7%；Ⅱ序孔单位注入量频率最大的是10～50kg/m的段次占38.1%，其次是100～500kg/m的段次占33.3%，最小的是50～100kg/m的段次占9.5%；Ⅲ序孔单位注入量频率最大的是10～50kg/m的段次占60%，其次是＜10kg/m的段次占20%，由此也可反映出，灌浆试区石英砂岩中的裂隙，主要是细微裂隙与较为宽大裂隙两种，水泥浆液灌浆可灌性较好。

灌浆试验各次序孔单位注灰量频率曲线见图5，可以看出，全孔的平均单位注灰量均按序呈现明显递减趋势，体现出灌浆的逐序加密后注入量递减规律，说明随着灌浆次序的增加，岩体逐渐被灌注密实。

图5 水泥灌浆各次序孔单位注入量频率曲线图Figure 5 The frequency curves of cement grouting hole unit injection volume

2.3.2 硅溶胶单位注入量与透水率

根据表2和表3可以看出，随着透水率增加，硅溶胶单位注入量逐渐增加，符合正常灌浆规律。灌前透水率＜10Lu的孔段占39.2%，透水率与单位灌注量递增关系明显，硅溶胶浆液很好被灌注。灌前透水率在10～50Lu的孔段，共计15段占53.6%，灌注硅溶胶浆液平均注入量为123.73L/m。根据灌浆资料分析，并结合以往类似工程灌浆成果对比，平均注入量大于100L/m，为正常灌注量，证明在此地层条件下，针对张开度小的细裂隙可灌性较好。

表2 Ⅲ序孔硅溶胶灌浆成果表Table 2 The colloidal silica sol grouting for Ⅲ holes

表3 Ⅲ序孔灌注硅溶胶透水率与单位注入量统计表Table 3 The silica sol permeability and unit injection volume of Ⅲ holes

2.4 效果检测

2.4.1 检查孔压水试验

帷幕灌浆工程质量的评定标准为：经检查孔压水试验检查，坝体混凝土与基岩接触段透水率的合格率为100%；其余各段的合格率不小于90%。不合格试段的透水率不超过设计规定的150%，且不合格试段的分布不集中。灌浆质量可评为合格。清远抽水蓄能电站上库灌浆地层的渗透系数为10-3～10-4cm/s（约为10～120Lu），经过现场灌浆施工处理后检查结果见表4，可以看出水泥灌浆区最大透水率为4.48Lu，还有1段透水率为3.85Lu，其他孔也均合格。硅溶胶灌浆区最大渗透系数为2.29Lu，坝体混凝土与基岩接触段及其下一段的透水率的合格率为100%，其余各段的合格率为100%。灌浆检查孔试验效果表明硅溶胶灌注区域比水泥灌注区域效果更好。

表4 检查孔压水试验结果Table 4 The results of check the hole pressure water

2.4.2 芯样检查

随着灌浆施工的完成，浆液注入裂隙，检查孔岩芯自上而下整体趋势是越来越完整。水泥灌浆检查孔岩芯部分有水泥浆浸染的痕迹见图6，能明显看到多处有明显的水泥结石。硅溶胶灌浆检查孔岩芯在外部很难看见，因硅溶胶凝胶强度较低，只有经过破坏后岩芯自然断裂，节理微细裂隙面才有硅溶胶充填裂隙痕迹，如图7所示。

图6 水泥灌浆孔岩芯结石Figure 6 Core stone in cement hole

图7 硅溶胶灌浆孔岩芯Figure 7 Core diagram of silica sol hole

2.4.3 坝后量水堰渗漏量观测

上库主坝防渗补强处理前，在高水位时，量水堰渗流量达到85L/s。处理后在同等高水位时，量水堰渗流量约10L/s（已达到设计允许渗流量）。

3 结论

随着我国能源战略的实施，抽水蓄能电站得到快速发展，其选址地质条件也越来越复杂，其中，微裂隙岩体的防渗处理是一个重要技术难题。本文结合一种新型的灌浆材料，开展了裂隙岩层防渗施工技术研究，主要结论如下：

（1）硅溶胶灌浆材料是无毒安全环保的化学灌浆材料，它具有黏度低、可灌入微细裂隙、胶凝时间可控、凝胶渗透系数低、抗挤出能力强等优点，可适应微裂隙（＜0.1mm）岩体的防渗灌浆处理。

（2）采用水泥基灌浆材料联合硅溶胶进行渗漏地层防渗，可兼顾不同尺寸的渗漏通道，如断层破碎带和微细裂隙岩层，防渗效果优良。

上述技术应用于清远抽水蓄能电站工程基础防渗灌浆，取得了满意的工程效果。